CN105352846A - 一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线的测试装置及方法，包括煤样罐、恒温浴槽、充气罐、高压气瓶和计算机采集系统；恒温浴槽提供的循环水，保持测试过程中煤样罐中温度恒定；由真空泵对测试系统中的管路和煤样罐抽真空后，使用充气罐向煤样罐中充气，稳定后，打开气动开关，计算机采集系统采集数据，计算得到罐内不同时间煤样和死空间中的瓦斯向外解吸释放的能量随时间的变化，装入与煤样的视相对密度体积相同的铁块，重复以上步骤，得到死空间中的瓦斯向外解吸释放的能量随时间的变化，通过计算得到罐内煤样的解吸瓦斯能量分布曲线。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯灾害预测及防治技术领域，特别涉及一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线的测试装置及方法。
背景技术
在煤与瓦斯突出过程中，瓦斯膨胀能是煤与瓦斯突出的主要能量来源。所谓瓦斯膨胀能是指煤体突然卸压后，其内部的瓦斯在向外解吸过程中，由于气体膨胀而释放出的能量。现场大量观测数据表明，煤与瓦斯突出是一个非常短暂的过程，一般只有几秒到数十秒，而煤体暴露后瓦斯向外解吸释放持续的过程则远远大于这一时间。在突出发生之后煤体解吸出的瓦斯量只会增加突出过程中的瓦斯涌出，而不会影响突出的发生。因此，构造煤暴露之初，最先释放出来的那一部分瓦斯的膨胀能才是决定突出是否会发生的关键。通过对构造煤解吸瓦斯能量分布规律，尤其是突然暴露后最初一段时间解吸瓦斯能量的分布规律进行研究，对煤与瓦斯突出危险性预测和防治方法的研究具有重要意义。
目前针对这一问题，均是基于煤样在暴露一定时间之后的解吸瓦斯数据的研究。造成上述现象的原因主要是早期受到测试手段和条件的限制，其测定过程大多采用皂泡流量计或容量法。这在瓦斯解吸量相对平稳的时候进行测试是可行的，但是当煤样中解吸的瓦斯量变化较大时，就会出现较大偏差。例如当含高压瓦斯的煤体突然暴露在大气中时，煤体中解吸的瓦斯流量峰值很大，变化也非常快，这时普通的流量计或容量法就根本无法对这一过程进行测定。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线的测试装置及方法，当煤样中解吸的瓦斯量变化较大时，不会出现较大偏差，解决了现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线测试装置，包括煤样罐、恒温浴槽、充气罐、高压气瓶和计算机采集系统；
恒温浴槽与煤样罐相连；
煤样罐内设有一层带网孔的盖板；煤样罐上方设有进气阀和渐缩型喷口，在进气阀的上方设有温度传感器，温度传感器依次连接高压传感器、截止阀、三通阀1和低压传感器，渐缩型喷口上设有气动开关；
充气罐的输出端依次连接阀门五、压力表和进气阀；
真空泵依次连接阀门一、压力表和充气罐的输入端；
高压气瓶的输出端依次连接减压稳压阀、阀门四、阀门二和压力表，并连接到充气罐的输入端；
高压气瓶的输出端依次连接减压稳压阀、阀门三和阀门四，并连接到压力表二和阀门五之间；
计算机采集系统包括：高压传感器、截止阀、电磁阀、三通阀、低压传感器和压力表二。
进一步的，所述恒温浴槽为水循环系统恒温浴槽。
进一步的，由于测试系统气体压力短时间内跨度非常大，为提高测试系统的精度，高压传感器和低压传感器的切换由电磁阀控制。
一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线测试方法，包括如下步骤：
步骤1)称量质量为M克的煤样，装入煤样罐中，盖上盖板，启动恒温浴槽，设定温度为30℃；
步骤2)关闭阀门截止阀和三通阀，打开阀门一、阀门二、阀门三、阀门四、阀门五5和进气阀，使用真空泵对煤样罐和充气罐抽至真空，
步骤3)压力表读数稳定在0～10pa后，关闭阀门四和阀门五，打开阀门二，调节减压阀控制高压气瓶向充气罐中充入NMpa的气体，根据气体状态方程结合气体参数和充气罐体积计算得到标准状态下充气罐中的气体量Q1；
步骤4)打开进气阀，使用充气罐向煤样罐中充气，然后关闭进气阀，读出压力表的值，根据充气后充气罐的气体参数计算得到充气罐中的气体量Q2，充入煤样罐中的气体量：Q＝Q1-Q2；
步骤5)根据煤样7的真相对密度和视相对密度，计算得到煤样罐中除去煤样体积之外的死空间体积V1以及煤的孔隙体积V2，结合煤样罐中的气体压力，算出死空间气体量Q3和煤中游离瓦斯量Q4，煤样7吸附的气体量：Q5＝Q-Q3-Q4；
步骤6)打开截止阀和三通阀，控制气动开关打开渐缩型喷口，通过计算机数据采集系统读取高压传感器、低压传感器和温度传感器信号，采集罐内气体的总温和总压数据；结合渐缩喷口的定常流动方程，采用计算机处理不同时刻实测的数据，得到罐内不同时间煤样和死空间中的瓦斯向外解吸释放的能量随时间的变化W1(t)；
步骤7)在煤样罐中装入与煤样的视相对密度体积相同的铁块，重复步骤2)～6)即可得到死空间中的瓦斯向外解吸释放的能量随时间的变化W2(t)；
步骤8)将相同时间点上的能量数据相减，以得到的能量值为纵坐标，以时间为横坐标，得到煤样的解吸瓦斯能量分布曲线W(t)＝W1(t)-W2(t)。
进一步的，在加入煤样之前，对煤样罐和充气罐抽至真空，检验装置的气密性。
有益效果：本发明提供的一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线测试装置和方法，通过计算机和传感器技术，采集高压吸附平衡状态下煤的解吸释放全过程，并在相同环境条件下测定与煤样罐中相同体积铁块时的气体释放过程，进而处理得到构造煤解吸瓦斯能量的分布曲线。其主要优点是：能够对煤样暴露最初时刻的瓦斯解吸过程进行测定，并且由于在高压气瓶与煤样罐之间设置了一个充气罐，可以对测定过程中充入煤样罐中的气体准确计量。通过分别测定煤样罐中煤样与死空间的解吸瓦斯能量分布曲线以及装入与煤样相同体积铁块时罐内空间的解吸瓦斯能量分布曲线，进而得到煤样的解吸瓦斯能量分布曲线。使得使用传感器测定构造煤暴露全过程的解吸瓦斯数据得以实现。
附图说明
图1为该发明装置结构示意图
图2为该发明方法的流程图
图中：1-煤样罐；2-渐缩型喷口；3-进气阀；4-温度传感器；5-盖板；6-气动开关；7-煤样；8-压力表；9-高压传感器；10-截止阀；11-电磁阀；12-三通阀；13-低压传感器；14-压力表二；15-高压气瓶；16-减压稳压阀；17-阀门一；18-阀门二；19-真空泵；20-计算机数据采集系统；21-恒温浴槽；22-充气罐；23-阀门三；24-阀门四；25-阀门五；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线测试装置，包括煤样罐1、恒温浴槽21、充气罐22、高压气瓶15和计算机采集系统20；
恒温浴槽21与煤样罐1相连；
煤样罐1内设有一层带网孔的盖板5；煤样罐1上方设有进气阀3和渐缩型喷口2，在进气阀3的上方设有温度传感器4，温度传感器4依次连接高压传感器9、截止阀10、三通阀12和低压传感器13，渐缩型喷口上设有气动开关6；
充气罐22输出端依次连接阀门五25、压力表二14和进气阀3；
真空泵19依次连接阀门一17压力表8和充气罐22的输入端；
高压气瓶15的输出端依次连接减压稳压阀16、阀门四23、阀门二18和压力表8，并连接到充气罐22的输入端；
高压气瓶15的输出端依次连接减压稳压阀16、阀门三23和阀门四24，并连接到压力表二14和阀门五25之间；
计算机采集系统20包括：高压传感器9、截止阀10、电磁阀11、三通阀12、低压传感器13和压力表二14。
恒温浴槽为水循环系统恒温浴槽。
高压传感器9和低压传感器13的切换由电磁阀11控制。
如图2所示一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线测试方法，利用气体在钻孔的不同深度处向钻孔周边渗透的流量大小来反映巷道周边煤体的破碎情况，实现对煤层巷道周边煤体破碎带影响范围的测定，为本煤层抽采钻孔封孔位置的确定提供依据，具体步骤如下：
第一步，准确称量300g制备好的煤样，然后将其装入测试系统的煤样罐，盖上带网孔的盖板；
第二步，启动恒稳浴槽，并将温度设定为30℃；
第三步，使用真空泵对煤样罐和充气罐抽真空至10Pa以下，要求能够稳定12h，以检查系统气密性；
第四步，切断充气罐与煤样罐之间的连接。调节减压稳压阀控制高压气瓶向充气罐中充入4MPa的气体，根据气体状态方程结合气体参数和充气罐体积计算得到标准状态下充气罐中的气体量Q1；
第五步，打开进气阀，使用充气罐22向煤样罐1中的气体，然后关闭进气阀3待罐1内煤样7吸附稳定12h达到平衡后通过压力表二14读出压力，根据充气后充气罐22内的气体状态参数，计算得到充气罐22中的气体量Q2；
则充入煤样罐中的气体：Q＝Q1-Q2
第六步，根据煤样7的真相对密度和视相对密度，计算得到煤样罐1中除去煤体积之外的死空间体积V1以及煤的孔隙体积V2，结合煤样罐中的气体压力即可算出死空间气体的体积Q3和煤中游离瓦斯量Q4；
则煤样罐1中煤样7的吸附气体量：Q5＝Q-Q3-Q4。
第七步，当煤样7在一定的温度和压力下吸附平衡12h后，打开截止阀10和三通阀12，通过气动开关6快速打开煤样罐上的渐缩型喷口2，使罐内气体通过渐缩型喷口2快速向外释放，并通计算机数据采集系统20读取高压传感器9、低压传感器13和温度传感器4信号，采集罐内气体的总温和总压数据。其中高压传感器9与低压传感器13之间的切换通过电磁阀11自动控制。结合渐缩喷口的定常流动方程，采用计算机处理不同时刻实测的数据，即可得到罐内不同时间煤样和死空间中的瓦斯向外解吸释放的能量随时间的变化W1(t)；
第八步，在煤样罐1中装入与煤样装入与煤样的视相对密度体积相同的铁块，重复步骤(7)即可得到死空间中的瓦斯向外解吸释放的能量随时间的变化W2(t)；
第九步，将相同时间点上的能量数据相减，并以得到的能量值为纵坐标，以时间为横坐标，即可到罐内煤样的解吸瓦斯能量分布曲线，即W(t)＝W1(t)-W2(t)。
实现上述构造煤解吸瓦斯能量分布曲线测试方法的装置，其特征在于：由恒温浴槽21提供的循环水，保持测试过程中煤样罐1中煤样7的温度恒定。由真空泵19对测试系统中的管路和煤样罐1抽真空并检查装置的气密性。由计算机数据采集系统20读取压力传感器和温度传感器实时采集的信号，由于测试系统气体压力短时间内跨度非常大，为提高测试系统的精度，使用高压传感器9和低压传感器13分段采集煤样罐1中的压力信号，它们之间的切换由电磁阀11控制。在煤样罐1与高压气瓶15之间设置了一个充气罐22，对充入煤样罐中的气体进行准确计量。在煤样罐2上采用具有较大收缩比的渐缩型喷口2，并在煤样罐口内安设一个带网孔的盖板5作为滤网，确保煤样罐出口断面上的气流均匀。煤样罐2的喷口可通过气动开关6在极短时间内迅速开启和关闭。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线测试装置，其特征是：包括煤样罐(1)、恒温浴槽(21)、充气罐(22)、高压气瓶(15)和计算机采集系统(20)；
所述恒温浴槽(21)与煤样罐(1)相连；
所述煤样罐(1)内设有一层带网孔的盖板(5)；煤样罐(1)上方设有进气阀(3)和渐缩型喷口(2)，在进气阀(3)的上方设有温度传感器(4)，所述温度传感器(4)依次连接高压传感器(9)、截止阀(10)、三通阀(12)和低压传感器(13)所述渐缩型喷口上设有气动开关(6)；
所述充气罐(22)输出端依次连接阀门五(25)、压力表二(14)和进气阀(3)；
所述真空泵(19)依次连接阀门一(17)压力表(8)和充气罐(22)的输入端；
所述高压气瓶(15)的输出端依次连接减压稳压阀(16)、阀门四(23)、阀门二(18)和压力表(8)，并连接到充气罐(22)的输入端；
所述高压气瓶(15)的输出端依次连接减压稳压阀(16)、阀门三(23)和阀门四(24)，并连接到压力表二(14)和阀门五(25)之间；
所述的计算机采集系统(20)包括：高压传感器(9)、截止阀(10)、电磁阀(11)、三通阀(12)、低压传感器(13)和压力表二(14)。
2.根据权利要求1所述的一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线测试装置，其特征是：所述恒温浴槽为水循环系统恒温浴槽。
3.根据权利要求1所述的高压传感器(9)和低压传感器(13)的切换由电磁阀(11)控制。
4.一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1)称量质量为M克的煤样(7)，装入煤样罐(1)中，盖上盖板(5)，启动恒温浴槽(21)；
步骤2)关闭阀门截止阀(10)和三通阀(12)，打开阀门一(17)、阀门二(18)、阀门三(23)、阀门四(24)、阀门五(25)和进气阀(13)，使用真空泵(19)对煤样罐(1)和充气罐(22)抽至真空；
步骤3)压力表(8)读数稳定在0～10pa后，关闭阀门四(24)和阀门五(25)，打开阀门二(18)，调节减压阀(16)控制高压气瓶(15)向充气罐(22)中充入NMpa的气体，根据气体状态方程结合气体参数和充气罐(22)体积计算得到标准状态下充气罐(22)中的气体量Q1；
步骤4)打开进气阀(3)，使用充气罐(22)向煤样罐(1)中充气，然后关闭进气阀(3)，读出压力表二(14)的值，根据充气后充气罐(22)的气体参数计算得到充气罐中的气体量Q2，充入煤样罐(1)中的气体量：Q＝Q1-Q2；
步骤5)根据煤样(7)的真相对密度和视相对密度，计算得到煤样罐(1)中除去煤样体积之外的死空间体积V1以及煤的孔隙体积V2，结合煤样罐(1)中的气体压力，算出死空间气体量Q3和煤中游离瓦斯量Q4，煤样(7)吸附的气体量：Q5＝Q-Q3-Q4；
步骤6)打开截止阀(10)和三通阀(12)，控制气动开关(6)打开渐缩型喷口(2)，通过计算机数据采集系统(20)读取高压传感器9、低压传感器13和温度传感器4信号，采集罐内气体的总温和总压数据；结合渐缩喷口的定常流动方程，采用计算机处理不同时刻实测的数据，得到罐内不同时间煤样和死空间中的瓦斯向外解吸释放的能量随时间的变化W1(t)；
步骤7)在煤样罐1中装入与煤样(7)的视相对密度体积相同的铁块，重复步骤2)～6)即可得到死空间中的瓦斯向外解吸释放的能量随时间的变化W2(t)；
步骤8)将相同时间点上的能量数据相减，以得到的能量值为纵坐标，以时间为横坐标，得到煤样(7)的解吸瓦斯能量分布曲线W(t)＝W1(t)-W2(t)。
5.根据权利要求4所述一种构造煤解吸瓦斯能量分布曲线测试方法，其特征是：步骤1)中，在加入煤样(7)之前，对煤样罐(1)和充气罐(22)抽至真空，检验装置的气密性。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160224 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |